成人教育领域基于本体的课程学习分析技术研究

刘 珊 ，寇俊波

（1.甘肃广播电视大学 理工农医学院，甘肃 兰州 730030；2.甘肃广播电视大学 庆阳分校 甘肃 庆阳 745000）

一、引言

2020年新型冠状病毒疫情席卷全球，许多国家大力推行全网教育。我国教育部也提出了“停课不停学”的倡议，要求各地教育部门开展网络线上教育，同时鼓励学生利用各个网络直播平台，使用高效高质的网络资源，尽量不外出在家中接受网络教育。各地教育部门、教育机构以及各种网络教育平台App公司都推出了形式多样、内容丰富的网络课程。但是在大量网络资源优势发挥的同时也存在着网络课程的质量良莠不齐、缺乏有效的顶层设计及合理的统一匹配等问题。如何将碎片化的网络教学资源逐步完善成优质的网络教学课程，使其能够更有效的为成人学生提供良好的网络教育服务，充分提高学生对于网络教学资源的使用效率，即如何有效整合与利用疫情期间积累的“海量”网络教育资源成为一个值得思考的问题。

二、成人教育领域学习分析技术概述

（一）成人教育领域学情分析

一直以来，成人开放教育主要依赖网络教育，成人学习者与普通学习者在知识获取方面不同的地方主要在于成人学习者是主动去学习，带有目的性，不像在校的全日制学生是被动的接受教育。大多数成人学习者都拥有自己的职业和家庭，围绕家庭与事业之间，专门用来学习的时间十分有限，工学矛盾十分突出。随着信息时代技术的高速发展，知识更新和社会变革速度非常迅猛，虽然各大高校不停地做各式各样的教学改革，但是大多数学校现有的教育更新体系还是无法赶上信息增长的速度，所以对于成人学习者到底需要掌握什么样的信息技术并为己所用，是本文研究的目的之一。

（二）学习分析技术研究发展现状

目前，学习分析技术在国际上是一个热门的研究方向，美国新媒体联盟发布的《地平线报告》从2010年到2016年连续七年将学习分析技术预测为未来几年教育领域内的主流技术，其主要是使用数据分析技术为教育体系的各种决策提供数据支持，尤其在成人教育领域属于新兴的研究领域。国内针对学习分析技术的研究主要包括华中师范大学彭文辉等利用概念图的方法构建网络学习行为系统的概念模型，国家开放大学魏顺平等通过归纳、采集、分析学习者信息以及学习过程数据来进行学习分析等[1]。学习分析技术的运用将使教育者不再仅仅是一个“教师”，同时承担了分析师的角色，尤其在大数据时代下的学习分析技术有助于成人教育者尝试更多的混合教学模式，教育者所做的教学改革将不再依附于经验式判断，而是以数据分析为基础的科学决策[2]。学习分析技术应用于教育的多个方面，但是目前在成人教育领域内的研究还缺乏一个清晰、可实施的分析数据系统。

三、本体技术的核心理念

学术界普遍认同Gruber关于本体的定义：“本体是共享概念模型的明确的形式化规范说明”，所以构成本体的四个要素分别是：概念模型、共享、形式化和规范说明。所谓概念模型通常是指在认知世界中人们对客观存在的主体及关联现象进行阐述得到的相关概念而建立的模型，概念模型应和所存在的环境状态息息相关；本体中的共享指的是公认的、存在在客观世界的、本体所能反映的知识体系，即在某个领域内公认的概念集；形式化是指对客观世界的实体及关系进行描述和表达，既能被使用者统一标识，又能被计算机识别，是使用者与计算机之间的桥梁；规范说明是指某领域本体内知识表达格式的统一表示，也可以理解为领域内相关概念及关系的解释说明，规范说明为特定领域提供了一个共享通用的理解，所以无论是使用者还是计算机系统都能够语义识别并能够进行相关应用。在对本体技术的研究过程中，绝大多数的学者都认同将本体划分为五个基本的建模基元，分别是：类（Class）或概念（Concept）、关系（relations）、函数（functions）、公理（axioms）和实例（instances），同时概念之间的关系表示包含有四种：part-of、kind-of、attribute-of和 instance-of，他们分别表示了整体和局部的关系、概念之间的继承关系、某个概念是另外概念的属性和概念与概念的实例关系。

本体论的研究越来越得到学者们的关注并应用到各个领域，随着近几年互联网技术的普及，互联网+产业的迅速发展，本体论在人工智能、物联网、数据挖掘等领域的研究越来越成熟。但是面对巨大的网络信息数量，基于关键词和简单分类的网络检索结果逐渐无法满足使用者的需求，尤其是需要一些决策支持，所以利用领域概念及概念之间关系进行建模的本体论，被认为是最有效的办法之一。将本体应用在成人教育领域学习分析过程中可以抽象形成成人教育学习分析系统核心，利用本体抽象的知识表示及关系描述，可以清晰的构建成人教育领域的知识管理结构体系。同时，在应用领域内的本体可以实现知识共享，构建开发本体过程中可以使本体成为一种多个体系的基础，通过本体共享同一种术语，实现领域内知识共享和重用[3]。

四、成人教育领域学习分析中本体技术的应用

本体的构建与知识库在知识表示方面存在相似的地方，都是对客观世界存在的实体进行具体的、抽象的定义，并通过某种关系进行语义组织，其主要区别在于知识库是在特定领域对特定知识进行分类归纳，而本体是对实体本身进行概念化的描述，从概念层次上对领域内的术语及其之间的关系进行规范化的说明。本体技术的应用从功能层面和数据库技术有些类似，但是本体技术从知识构建到应用推理方面要比数据库技术应用范围更广。本体技术无论是从语义表达还是语法解析，到推理机制的建立都要比数据库所呈现的数据信息要复杂的多，最主要的是本体所体现的是某个领域内的知识表示，不仅仅是单纯的数据存储，本体更注重的是领域内实体、属性及相互关系的联系，并进行规范化的表述，这种规范性的说明可成为一种体系应用到各个领域[4]。

基于本体技术的成人学习分析主要应用在两个方面，一是对不同成人学习者的教育环境等学情分析进行本体构建，二是对相应的课程资源进行知识点分类和语义描述，通过本体建模及合理的推理机制，对成人学习者学习状况进行综合的学习分析[5]，如图1所示。

图1 成人学习分析结构图

（一）成人学习分析的本体构建

在成人教育领域内，将本体技术应用于教育者、学习者、课程教学资源以及三者之间的关系的理论研究，主要在于构建成人学习分析本体的基本通用框架，这种理论上的构建与不断更新完善，能够使将来的基于本体技术的学习分析研究在此基础上进行更加智能化的教、学匹配系统的实践应用。在成人教育领域学习分析过程中，从学习者、教育者和课程资源知识组成等方面的本质概念及关系着手，以信息技术类课程为实例研究教育者、学习者与教学资源之间的联系，构建成人教育领域内信息技术类课程资源知识库，利用预测模型和知识库构建研究教师、成人学习者、信息技术课程资源及三者概念之间关系的本体（简称成人学习分析本体ALA-Onto），如图2所示为利用protégé工具搭建ALA-Onto。

图2 protégé工具搭建ALA-Onto

ALA-Onto是一个成人学习分析本体，则有：

定义1：称Ω={a|a是ALA-Onto中的概念}是本体的概念集。

假定a，b，c∈Ω，则有：

定义2：符号P代表ALA-Onto中概念之间的part-of关系，P（a，b）表示概念b是概念a的一部分，例如在成人学习分析本体中P（计算机应用基础，计算机）。

图3 ALA-Onto中kind-of关系示例图

定义3：符号K代表ALA-Onto中概念之间的kind-of关系，K（a，b）表示概念b是概念a的子概念，例如在成人学习分析本体中K（信息技术类课程，计算机应用基础），如图3所示。

定义4：符号A代表ALA-Onto中概念之间的attribute-of关系，A（a，b）表示概念b是概念a的一个属性，例如在成人学习分析本体中A（学习者，性别），如图4所示。

图4 ALA-Onto中attribute-of关系示例图

定义5：符号I代表ALA-Onto中概念之间的instance-of关系，I（a，b）表示概念b是概念a的一个实例，例如成人学习分析本体中（学习者，张三），如图5所示。

图5 ALA-Onto中instance-of关系示例图

定义6：本体ALA-Onto内的代数M=（Ω，R，Ωp）定义为：

Ω是ALA-Onto上的概念集；R是Ω中概念之间的关系集合；Ωp是Ω中概念的操作集合。

（二）基于贝叶斯网络的成人学习分析本体推理机制

本体技术应用到学习分析领域最主要的一个目的是实现通过对学习者的教育环境建模，科学合理的描述课程资源、教育者、学习者及其三者之间的联系，使计算机在语义层次上表示学习者真正的教育环境及学习需求，让学习者得到合理的个性化的学习分析结果。而利用本体及相关技术对课程资源、学习者受教环境进行客观描述组织及分析，能够减少或消除成人教育领域相关概念及术语上的混乱，更好地表达实体的特征，实现计算机在知识层面上对相关实体的推理。

本体的推理机制一般主要有两种方式，一是本体推理机的使用，二是使用一种基于概率的不确定性推理网络——贝叶斯网络进行推理计算，这种网络推理主要是利用变量集合连接概率来构建图形模型，也可理解为变量间概率依赖关系的有向无环图，通过变量概率网络图展示因果信息来发现数据间的潜在关系。例如在成人学习分析过程中，设M是事件适合计算机专业进行继续教育，Ni是适合计算机专业进行继续教育（M）事件发生的所有可能因素，已知它们的概率为P（Ni），这些概率作为证据，被称为先验概率。又设Ni在随机试验中不能或者没有被直接观察到，只能观察到与之联系的适合计算机专业进行继续教育（M）事件的发生，那么要在此条件下，对事件Ni发生的可能性做出判断，即求出它们关于适合计算机专业学习的条件概率P（Ni|M），又称为Ni的后验概率。同时，可通过全概率公式计算，在考虑到所有适合计算机专业学习因素的情况下，适合计算机专业学习的概率，再依据设定的规则，来实现学习者对适合计算机专业学习的评估。整个过程满足了贝叶斯定理，因此，在本体的不确定性推理过程中采用了如下公式：

五、结论

成人教育进行全方位的学习分析有助于深化和推进成人学习成就评价制度的研究。长期以来，我国尝试进行各种改革不断地改进教育评价体系，无论是中小学义务阶段，普通教育阶段，高等教育还是成人在职业余教育。在我国无论是普通高等教育还是成人高等教育领域，对学习者的学习评价都未形成统一的评价体系，评价形式也主要以终考的笔试或是口试等成绩为主，缺乏一系列过程性的评价[6]。本体从客观意义上讲，它所描述的知识与系统设计需求和系统所要达到目的是没有联系的，然而我们利用本体进行研究是需要有一定的领域背景和任务需求，借鉴知识空间理论联合本体技术对系统中的资源进行科学合理的组织描述分类，依仗本体的语义优势及推理技术，系统能根据不同学习者特点自动推理生成适合该学习者的学习资源，实现真正的个性化学习。在未来的研究中，还需要建立一个合理的成人学习领域学习分析体系，不断的尝试建立科学规范的学习分析机制，最终构建基于本体技术的信息技术类课程成人学习分析系统。